Die Erfindung betrifft ein
Lösungsmittelextraktionsverfahren zur Herstellung von Cellulosepulpe, bei
dem Lignin aus zerteiltem faserigen Pflanzenmaterial in einer Mehrzahl von
satzweise arbeitenden, annähernd gleichartigen Extraktoren durch Einbringen
annähernd derselben Beschickung des Pflanzenmaterials in jeden
Extraktor durch rasches Inberührungbringen der Beschickung
bei einer Aufschlußtemperatur von 160 bis 220°C und einem
Aufschlußdruck von 10 bis 50 bar nacheinander mit Lösungs
mittel-Aufschlußlaugen von fortschreitend abnehmendem Gehalt
an gelösten, aus dem Extraktionsverfahren stammenden
Feststoffen bis herunter zu frischer Verpulpungslauge und
letztere so auf das Aufschlußprodukt mit dem geringsten
Lignin- und Hemicellulosegehalt trifft, wobei die Laugen
jeweils in Form einer wäßrigen Lösung eines niederen aliphatischen
Alkohols im Konzentrationsbereich von 20 bis 80
Gew.-%, vorliegen, extrahiert und die Cellulosepulpe an
schließend aus dem Extraktor ausgetragen wird.
Die Abtrennung von Lignin von Cellulose mit Lösungsmitteln ist bekannt, und
es sind Verfahren zur Anwendung dieser im wesentlichen analytischen Arbeitsweise
für die Erzeugung von gewerblich verwendbarer Pulpe angegeben worden,
z. B. in der US-PS 18 56 567 und der US-PS 35 85 104. Die GB-PS 42 13 79
betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Cellulose durch Behandlung mit
einem organischen Lösungsmittel und Entfernung der Ligninlösung aus dem
Material nach einer Kontaktzeit, die im wesentlichen geringer als 2 h ist.
Dabei wird die erhitzte Lauge nach dem Aufheizen durch eine Heizvorrichtung
in einen Extraktor geleitet, der die zu behandelnde Beschickung bereits bei
der Extraktionstemperatur enthält.
Eine Gegenstromführung beim satzweise arbeitenden Zellstoff-Kochbetrieb ist
aus dem mit Sodalauge arbeitenden Ungerer-Verfahren, wie in Praktisches
Handbuch der Papierfabrikation von C. Hofmann (1987), II. Band, S. 1396-
1399 und in Papier-Zeitung 37 (1912), Heft 18, S. 647-648 beschrieben, bekannt.
Jedoch haben derartige Verfahren schwerwiegende Mängel und Beschränkungen
hinsichtlich Ligninentfernung, Qualität und leichter Bleichbarkeit der
Pulpe sowie Schwierigkeiten bezüglich Wiedergewinnung von Lösungsmitteln
und Abtrennung der ligninhaltigen Fraktion gezeigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein verbessertes Ver
fahren zur Herstellung von Cellulosepulpe zur Verfügung zu stellen, bei dem
das organische Lösungsmittel auf wirksame Weise wiedergewonnen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
- a) einen ersten Extraktor, der eine erste Beschickung des
Pflanzmaterials enthält, mit einer ersten Lauge in Form
von Alkohol/Wasser-Mischung, vorzugsweise Schwarzlauge,
bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur von etwa
80°C und verhältnismäßig niedrigem Druck so füllt, daß
hierdurch die Luft aus dem ersten Extraktor verdrängt
und die erste Beschickung vorimprägniert wird,
- b) eine zweite Lauge in Form einer gebrachten Verpulpungs
lauge von verhältnismäßig hohem Gehalt an gelösten
Feststoffen bei einer erhöhten Temperatur und erhöhtem
Druck in den ersten Extraktor so einführt, daß hierdurch
die erste Lauge verdrängt wird, und dann diese zweite
Lauge mit einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit
durch den ersten Extraktor und durch einen äußeren
Wärmetauscher so umwälzt, daß hierdurch eine rasche Erhitzung
der ersten Beschickung auf die Aufschlußtemperatur
in einem Zeitraum von nicht mehr als etwa
10 Minuten, vorzugsweise nicht mehr als etwa 5 Minuten,
herbeigeführt wird, wobei die zweite Lauge aus der nach
stehend angegebenen Durchlaufextraktionsstufe (d)
während des Verpulpungszyklus einer weiteren Beschickung
des Pflanzenmaterials in einem zweiten Extraktor erhalten
worden ist,
- c) die Umwälzung der zweiten Lauge ohne Abtrennung der ge
lösten Extraktionsstoffe zur Herbeiführung des Aufschlusses
und einer primären Extraktion der ersten Beschickung
bei der Aufschlußtemperatur fortsetzt und
danach diese zweite Lauge von dem Aufschlußprodukt im
ersten Extraktor abzieht,
- d) mindestens eine weitere gebrauchte Verpulpungslauge
ohne Abtrennung der gelösten Extraktionsstoffe durch
die also aufgeschlossene erste Beschickung in dem
ersten Extraktor in einmaligem Durchgang so fließen
läßt, daß hierdurch eine weitere Extraktion der ersten
Beschickung bei der Aufschlußtemperatur herbeigeführt
wird, wobei diese weitere gebrauchte Verpulpungslauge
einen geringeren Gehalt an gelösten Feststoffen als die zweite
Lauge hat und aus der nachstehend angegebenen
Durchlaufwaschstufe (e) während des Verpulpungszyklus
einer weiteren Beschickung in einem dritten Extraktor
erhalten worden ist, und
- e) vorerhitzte frische Verpulpungslauge durch die aus der
ersten Beschickung erhaltene Cellulosepulpe in dem
ersten Extraktor in einmaligem Durchgang als abschließende
Extraktionsstufe fließen läßt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, eine Trennung und Ge
winnung der Cellulose- und Ligninfraktionen in einer sehr wirksamen Weise
herbeizuführen, so daß keine nennenswerte Luft- oder Wasserverschmutzung
oder Bildung fester Abfallprodukte in dem Verfahren auftritt. Darüberhinaus
wird das organische Lösungsmittel in einer sehr wirksamen Weise zur Rück
führung in dem Verfahren wiedergewonnen, wodurch ein Haupthindernis für
die praktische Anwendung eines Lösungsmittelaufschlusses ausgeräumt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden als Laugen wäßrige Gemische oder
Lösungen von niederen aliphatischen Alkoholen, z. B. Methanol, Ethanol,
Isopropanol, n-Propanol oder die Butanole, verwendet. Vorzugsweise wird
Ethanol verwendet wegen der verhältnismäßig leichten Rückgewinnung und des
Fehlens einer nennenswerten Umsetzung zwischen dem Ethanol und Holz oder
anderen faserigen Pflanzmaterialien. In dem Verpulpungsverfahren wird etwas
Methanol gebildet, und das zurückgeführte Lösungsmittel kann ein Gemisch
von Methanol und Ethanol sein, es kann aber auch Methanol alleine mit
gutem Erfolg verwendet werden.
Die Lösungsmittelextraktion wird mit Alkoholkonzentration in wäßriger
Lösung von 20 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent, bei Drucken im Bereich
von 10 bis 50 bar und bei Temperaturen im Bereich von 160 bis 220°C
durchgeführt. Bevorzugte Bereiche für die Betriebsbedingungen sind jedoch
Alkoholkonzentrationen, in Wasser, von 40 bis 60 Gewichtsprozent, Drucke
von 20 bis 35 bar und Temperaturen von 180 bis 210°C.
Erfindungsgemäß wird eine Extraktion und Ab
trennung des Lignins von roher Cellulose mit einer geringst
möglichen Wiederabscheidung von polymerisiertem extrahierten
Lignin auf der Cellulose erzielt. In ein für
satzweisen Betrieb vorgesehenes Extraktionsgefäß, das eine
Beschickung aus Holzschnitzeln oder anderem faserigem Pflan
zenmaterial enthält, wird ein Alkohol-Wasser-Gemisch bei einer ver
hältnismäßig tiefen Temperatur einführt, so daß hierdurch die
Luft aus dem Gefäß verdrängt wird, dann wird eine äußerst rasche
Erhitzung der Schnitzelbeschickung auf die erforderliche
Verpulpungstemperatur in einer primären Extraktionsstufe durch
Umwälzung von erhitzter gebrauchter Extraktionslauge herbeigeführt,
so daß die primäre Extraktionsstufe im wesentlichen
isotherm ist, und danach wird eine Reihe von aufeinanderfolgenden,
jeweils mit einmaligem Durchgang der Flüssigkeit arbeitenden
Extraktionen oder Waschungen der Schnitzelbeschickung
mit sukzessive reineren Alkohol-Wasser-Fraktionen unter isothermen
Bedingungen, einschließlich einer abschließenden
Extraktion oder Waschung mit frischer Lauge, durchgeführt. Um
nachteilige Einflüsse sowohl auf die Rate als auch das Aus
maß der Ligninextraktion zu vermeiden, sollten die Holzschnitzel
oder das andere faserige Pflanzenmaterial in der primären
Extraktionsstufe in nicht mehr als 10 min und vor
zugsweise in nicht mehr als 5 min auf die Extraktions-
oder Aufschlußtemperatur gebracht werden. Um eine
größtmögliche Ligninextraktion bei geringstmöglicher
Wiederabscheidung von unerwünschten polymerisierten
Anteilen sicherzustellen, sollte das Extraktionsgefäß so
ausgebildet sein, daß eine geringstmögliche Kanalbildung und/
oder Rückvermischung des Alkohol-Wasser-Lösungsmittels eintritt.
Hierzu kann das Gefäß zweckmäßig ein hohes Abmessungs
verhältnis von Höhe zu Durchmesser im Bereich von 4 : 1
bis 15 : 1 und vorzugsweise von 10 : 1
aufweisen.
Um ein Einbringen der Holzschnitzel oder des anderen
faserigen Pflanzenmaterials in das unter Druck arbeitende
Lösungsmittel-Wasser-System mit geringstmöglichem Verlust an
Lösungsmittel zu ermöglichen und geringstmögliche Rückver
mischung in Verbindung mit größtmöglicher Extraktion zu ge
währleisten, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner eine
Mehrzahl von satzweise arbeitenden Extraktionsgefäßen ange
wendet, die in Reihe aufeinanderfolgend so angeordnet sind,
daß Lösungsmittel aus einer Extraktionsstufe in einem Gefäß
danach in einer anderen Extraktionsstufe in einem anderen Gefäß
benutzt wird, wie nachstehend näher erläutert.
Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Merkmal wird das
Verfahren so betrieben, daß nach Vollendung der Extraktion
des Lignins in einem gegebenen Extraktionsgefäß die zurück
bleibende Alkohol-Wasser-Lösung von dem Gefäß abgezogen wird,
der Druck über ein Alkohol-Wasser-Kondensationssystem verringert
wird das restliche Lösungsmittel dann von der zu
rückbleibenden Cellulose mit Wasserdampf oder einem anderen
geeigneten Abstreifmittel ausgetrieben wird, während sich
die Rohcellulose noch in dem Extraktionsgefäß befindet, wobei
die abgestreiften Dämpfe aus dem Extraktionsgefäß heraus
zu dem Alkohol-Wasser-Kondensationssystem geführt werden. Die
Cellulosepulpe wird dann durch Spülen mit Wasser aus dem
Extraktionsgefäß ausgetragen. Aus der Pulpe ist dann nicht
nur Lignin entfernt, sondern sie ist auch gründlich gewaschen,
und das Lösungsmittel ist im wesentlichen vollständig ausge
trieben. Die Pulpe ist von hoher Qualität und sie läßt
sich nach Entfaserung sehr leicht nach herkömmlichen Methoden
bleichen, wobei hochwertige gebleichte Pulpen anfallen, die
für mannigfaltige Verwendungszwecke geeignet sind.
Zur weiteren Lösungsmittelrückgewinnung wird die
endgültige Extraktlösung aus dem Lösungsmittelextraktionsab
schnitt des Verfahrens einer Abstreifbehandlung unterzogen,
um den Alkohol aus der wäßrigen Extraktlösung zurückzugewinnen.
Zur Herbeiführung dieser Trennung bei gleichzeitig weit
möglichster Unterdrückung der Bildung von Teeren oder hoch
polymerisierten festen Formen von Lignin, die die Gefahr
einer Verschmutzung von Apparateteilen mit sich bringen würden,
wird die Trennung unter Vakuum durchgeführt, nachdem die
Extraktlösung zunächst einer Gleichgewichts-Flashverdampfung
unterworfen worden ist. Der Unterdruck dabei so tief
wie möglich sein, jedoch können aus praktischen Gesichtspunkten
Unterdrücke von 0,1 bis 0,8 bar und vorzugsweise
von 0,5 bar angewendet werden. Bei derartigen
Unterdrucken werden die
ligninhaltigen Ausscheidungen, die sich bei der Alkoholab
streifung bilden, in Suspension durch die Abstreifanlage geführt.
Nach dem Abstreifen des Alkohols aus der Extrakt
lösung kann die verbleibende wäßrige Ligninaufschlämmung nach
herkömmlichen Methoden weiterverarbeitet werden. Verbesserte
Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn zunächst ein Absetzen
der Ligninaufschlämmung herbeigeführt und dann ver
dickter Ligninbrei in einer Trenneinrichtung konzentriert wird,
z. B. in einer Festtrommelzentrifuge, wobei der anfallende
Ligninschlamm oder -kuchen dann zur Verbrennung als Brenn
stoff in herkömmlichen Öfen und Kesseln geeignet ist. Die
überstehende wäßrige Lauge, die im wesentlichen Zucker, Hemi
cellulose, oganische Säuren und kleine Mengen an Lignin
fraktionen niederen Molekulargewichts enthält, wird dann
nach herkömmlichen Methoden eingedampft. Die Eindampfbehandlung
ist infolge der Abwesenheit hochmolekularer Lignine oder
Ligninpolymer verhältnismäßig frei von Abscheidungsbildung
an oder Verschmutzung der Vorrichtungsteile.
Das Zucker-Kohlehydrat-Konzentrat mit 50-70%
und vorzugsweise 60% Feststoffgehalt kann als Neben
produkt zur Verwendung z. B. als Tierfutter verkauft oder zu
anderen chemischen oder biologischen Produkten weiterverarbeitet
werden. Wo eine solche Nebenproduktverwendung nicht
möglich oder zweckmäßig ist, kann dieses Konzentrat auch
in einem herkömmlichen Ofen oder Kessel verbrannt werden,
um seinen Heizwert in Form von Wasserdampf zu gewinnen, der
dann in der vorstehend genannten Alkoholabstreifstufe eingesetzt
werden kann. Die Verbrennung des Ligninschlamms und
des wäßrigen Zuckerkonzentrats kann durchgeführt werden, indem
die beiden Materialströme miteinander vermischt werden. Dies
ergibt ein Gemisch, dessen Eigenschaften einem leichten Heizöl
ähnlich sind, abgesehen von einem geringeren Wert der Ver
brennungswärme. Die Verbrennung dieses Gemisches führt jedoch
nicht zu unerwünschten, verschmutzten Verbrennungsprodukten,
wie Schwefelverbindungen, Chloriden u. dgl., und es treten
auch keine nennenswerten Probleme hinsichtlich Teilchen
ausstoß mit den Verbrennungsgasen, wie sie bei herkömmlichen
Verpulpungsmethoden üblich sind, auf, da die einzigen bei dem Verbrennungsvorgang anfallenden Feststoffe die dem verhält
nismäßig niedrigen Aschegehalt des zur Verpulpung kommenden
Holzes oder anderen faserigen Pflanzenmaterials entsprechenden
Feststoffanteile sind.
Das verbesserte erfindungsgemäße Alkohol-Aufschlußverfahren
ergibt also nicht nur einen hochwertigen und leicht
bleichbaren Zellstoff, sondern es ist auch - wenn die Lignin
fraktion und/oder die Zucker-Kohlehydratfraktion nicht als
Nebenprodukte verkaufbar sind und demgemäß zur Verwendung als
Brennstoff im Verhalten zur Verfügung stehen - im wesentlichen
selbstunterhaltend vom Gesichtspunkt des Energiebedarfs.
Die im wesentlichen vollständige Beseitigung von Verschmut
zungsstoffen aus der Verbrennung der beim Aufschluß anfallenden
Abfallstoffe ist ein weiterer wesentlicher Vorteil des
Verfahren. Der geringfügige Gehalt an flüchtigen organischen Bestandteilen (BOD erfaßbar) des
Verdampfungskondensats kann leicht nach herkömmlichen Sekundär
maßnahmen behandelt werden, so daß sich ein im wesentlichen
von Schmutzstoffabgabe freies Aufschluß- oder Verpulpungsver
fahren ergibt.
Ein Ausführungsbeispiel für das Verfahren der Erfindung
wird nachstehend in Verbindung mit den Figuren
erläutert.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Verfahrensfließbild,
das die Lösungsmittelextraktionsstufen des Verfahrens veran
schaulicht.
Fig. 2 ist ein schematisches Verfahrensfließbild
in Fortsetzung der Fig. 1, das die Lösungsmittelrückgewinnungsstufe
des Verfahrens und auch eine bevorzugte Arbeitsweise zur
Behandlung der Abfallprodukte veranschaulicht.
In der Fig. 1 ist der Lösungsmittelextraktionsab
schnitt des Verfahrens unter Verwendung einer Mehrzahl von
satzweise arbeitenden Extraktionsgefäßen veranschaulicht.
Beispielsweise können bei einer technischen Ausführungsform
neun derartige Gefäße verwendet werden, wobei jedes Gefäß
in einem Kreislauf arbeitet, der vom Anfang bis zum Ende 3h
dauert, und die Gefäße aufeinanderfolgend so geschaltet
und betrieben werden, daß alle 20 min ein fertigge
stellter Posten Cellulosepulpe von einem der Gefäße ausgetragen
wird. Zur Vereinfachung und Verbesserung der Über
sichtlichkeit sind nur drei derartige Gefäße in der Fig. 1
dargestellt, und zwar in Form langgestreckter rohrförmiger
Extraktoren 10, 11 und 12. Um Probleme hinsichtlich Kanal
bildung und/oder Rückvermischung der Lauge zu vermeiden, sollte
das Höhe/Durchmesser-Verhältnis der Extraktoren verhält
nismäßig hoch sein, wie vorstehend erläutert wurde.
Jeder Extraktor durchläuft eine Folge von Betriebs
maßnahmen, die kurz beschrieben werden können als (1) Füllung
mit Schnitzeln, (2) Luftverdrängung, (3) rasche Aufheizung
durch Umwälzung von Primärextraktionslauge, (4) mindestens
eine Waschung mit gebrauchter Lauge, (5) abschließende
Waschung mit frischer Lauge, (6) Druckentlastung und Was
serdampfbehandlung, sowie (7) Pulpeaustrag. Es ist klar, daß
zu irgendeiner gegebenen Zeit jeder Extraktor in einer unter
schiedlichen Stufe des Verarbeitungsganges ist, und die Um
schaltungsfolge in jedem Extraktor kann automatisch durch
herkömmliche Steuerung und Instrumentierung herbeigeführt
werden. Wenn gleich die erforderlichen Rohrverbindungen für
den Betrieb der drei Extraktoren 10, 11 und 12 in der Fig. 1
veranschaulicht sind, dürfte es genügen, einen vollständigen
Arbeitskreislauf für nur einen der Extraktoren zu erläutern.
Demgemäß wird der Extraktor 10 zunächst mit Holzschnitzeln
beschickt; diese können z. B. pneumatisch durch
eine Zufuhrsammelleitung 13 und eine Zweigleitung 14 in den
Extraktor 10 gefördert werden. Nach Vollendung der Schnitzel
füllungsstufe wird Luft aus dem Extraktor 10 mittels einer
geeigneten verhältnismäßig kühlen Verpulpungs- oder Extrak
tionslauge herausgespült. Bei der dargestellten Ausführungsform
wird eine verhältnismäßg kühle, "verbrauchte" Verpulpungs-
oder Extraktionslauge am Boden in den Extraktor 10
von einer Zufuhrsammelleitung 16 über eine Zweiggleitung 17
mit einem Ventil 18 und eine Einlaßsammelleitung 19 eingeführt.
Gemäß der üblichen Bezeichnungsweise bei Verpulpungs
verfahren wird diese Lauge nachstehend als "Schwarzlauge"
bezeichnet. Die verdrängte Luft fließt vom oberen Abschnitt
des Extraktors 10 durch eine Auslaßsammelleitung 26, eine
Zweigleitung 27 mit einem Ventil 28 und eine Rückführsammel
leitung 29 zu einem Lagertank 31 für kalte Schwarzlauge
(Fig. 2). Von dem Lagertank 31 fließt die Luft durch eine
Leitung 25 zu einem Kondensator 24 und wird dort durch einen
geeigneten, nicht dargestellten Auslaß in die Atmosphäre
entlassen.
Der Arbeitsschritt der Verdrängung von Luft aus
dem Extraktor ist notwendig, um eine scharfe Flashverdampung
zu verhindern, wenn nachfolgend Extraktionslauge von hoher
Temperatur und hohem Druck in den Extraktor eingeführt wird.
Wie nachstehend noch erläutert wird, bildet der Lagertank 31
(Fig. 2) eine bequeme Quelle für kühle Schwarzlauge für die
Luftverdrängungsstufe. Aus diesem Lagertank wird die Lauge
bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur, z. B.
80°C, durch eine Pumpe 32 abgezogen und zu der Sammelleitung
16 geführt. Es kann jedoch irgendeine zweckdienliche und bequem
zuführbare Lauge für die Luftausspülung aus den Extraktoren
benutzt werden, z. B. reines Alkohol-Wasser-Lösungsmittel,
das aus dem nachstehend noch beschriebenen Lagertank 106
für Frischlauge zugeführt werden kann. Als Begleit
erscheinung der Luftverdrängungsstufe werden die Schnitzel
in dem Extraktor eine kurze Zeit lang in die kühle Verdrän
gungslauge getaucht und damit imprägniert oder benetzt.
Sobald der Extraktor 10 gefüllt ist, wird das
Ventil 18 geschlossen, um hierdurch den Fluß von kühler
Schwarzlauge durch den Extraktor zu beenden. Dann wird primäre
Extraktionslauge, die ein bereits gebrauchtes Lösungs
mittelgemisch mit einem verhältnismäßig hohen Gehalt an gelösten
Feststoffen umfaßt und sich bei den gewünschten Be
dingungen hinsichtlich Extraktionstemperatur und -druck befindet,
in den Boden des Extraktors 10 eingeführt. Die primäre
Extraktionslauge wird von einem Sammelbehälter 33
durch eine Leitung 34, eine Pumpe 36, eine Leitung 37, eine
Zufuhrsammelleitung 38, eine Zweigleitung 39 mit einem Ven
til 41 und die Einlaßsammelleitung 19 eingespeist. Der Ex
traktor, der mit kühler Schwarzlauge gefüllt ist, wird
unverzüglich mit geringer oder keiner Flashverdampfung auf
Druck gebracht. Die kühle Schwarzlauge wird verdrängt und
vom Kopf des Extraktors 10 durch die Sammelleitung 26, die
Leitung 27 und die Sammelleitung 29 zu dem Schwarzlauge-
Lagertank 31 zurückgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird das
Ventil 28 geschlossen und der austretende Strom umgeschaltet,
so daß die primäre Extraktionslauge von dem Extraktor
10 durch die Sammelleitung 26, eine Zweigleitung 42 mit einem
Ventil 43 und eine Sammelleitung 44 zu einem Spitzen
lasterhitzer 46 fließt. Von dem Erhitzer 46 fließt die primäre
Extraktionslauge durch eine Leitung 47 zurück zu dem
Sammelbehälter 33.
Während des ersten Abschnitts des Zeitraums, in
dem die primäre Extraktionslauge nacheinander durch den Ex
traktor 10 und den Erhitzer 46 umgewälzt wird, wird die Um
wälzungs bei einer hohen Fließrate und geht mit einer hohen Wärme
einführung durch den Erhitzer 46 vorgenommen, um die Schnitzel
füllung in dem Extraktor in einem sehr kurzen Zeitraum
auf Kochtemperatur zu bringen. Beispielsweise werden eine
solche Fließrate und eine solche Wärmezufuhr eingehalten,
daß die bevorzugte Extraktionstemperatur von 180 bis
210°C in dem Extraktor in vorzugsweise nicht mehr als
5 min und auf jeden Fall in nicht mehr als 10 min
erreicht wird. Sobald sich die Schnitzelbeschickung
auf Kochtemperatur befindet, wird die Umwälzung der primären
Extraktionslauge für den Rest der primären Extraktions
periode bei einer hohen Fließrate, aber mit einer stark ver
ringerten Wärmeeinführung, durch den Erhitzer 46 fortgesetzt.
Allgemein muß die Wärmezufuhr während dieses Zeitraums ge
nügen, Wärmeverluste auszugleichen, so daß im wesentlichen
isotherme Extraktionsbedingungen in dem Extraktor 10
aufrechterhalten werden. In dieser Weise werden eine sehr
gleichmäßige Kochumgebung während der primären Extraktions
periode herbeigeführt und eine sehr hohe Ligninentfernungs
rate aufrechterhalten mit dem Ergebnis, daß etwa 70-80%
der gesamten Ligninentfernung aus den Schnitzeln während der
primären Extraktionsperiode erzielt wird.
Gegen Ende der primären Extraktionsperiode wird
das Ventil 43 geschlossen, und die abfließende Extraktions
lauge aus dem Extraktor fließt dann von der Auslaßsammelleitung
26 durch eine Leitung 48 mit einem Ventil 49 zu einer
Auslaßsammelleitung 51, die mit einem Sammelbehälter 52 für
die der Rückgewinnung zuzuführende Lauge in Verbindung steht.
Wie nachstehend noch beschrieben ist, wird die gebrauchte
Extraktionslauge kontinuierlich unter Druck von dem Sammel
behälter 52 durch eine Leitung 53 mit einem Ventil 54 dem
Alkoholrückgewinnungsabschnitt zugeführt.
Wie vorstehend erläutert, bewirkt die Umwälzung von
gebrauchter Extraktionslauge mit einem verhältnismäßig hohen
Gehalt an gelösten Feststoffen einen überwiegenden Anteil der
Ligninentfernung während der primären Extraktionsperiode. Da
nach wird die Schnitzelfüllung einer oder mehreren Extraktionen
oder Waschungen mit einmaligem Duchgang der Flüssigkeit,
d. h. ohne Wiederumwälzung, unterworfen, und jede dieser Wa
schungen mit einmaligem Durchgang wird mit einer Lauge von
sukzessive geringerem Gehalt an gelösten Feststoffen durchgeführt,
bis dann die letzte Waschung mit einmaligem Durchgang
mit frischer, im wesentlichen ligninfreier Lauge vorgenommen
wird. Bei der hier erläuterten Ausführungsform wird nach der
primären Extraktionsperiode, während der die Lauge mit einer
hohen Fließrate umgewälzt wird, die Schnitzelfüllung dann
einer einzigen zwischengeschalteten Waschung mit einmaligem
Durchgang mit einer Lauge von geringerem Gehalt an gelösten
Feststoffen unterzogen und danach einer abschließenden Waschung
mit einmaligem Durchgang mit frischer Lauge unterworfen.
Es ist jedoch klar, daß irgendeine erwünschte Anzahl an
zwischengeschalteten Waschungen mit einmaligem Durchgang durch
geführt werden kann.
Während sich der Extraktor 10 in der zuvor beschriebenen
Weise in seiner primären Extraktionsperiode befindet,
sich der Extraktor 11 somit in seiner zwischenge
schalteten Extraktions- oder Waschperiode mit einmaligem
Durchgang, und der Extraktor 12 befindet sich in seiner ab
schließenden Extraktions- oder Waschperiode mit einmaligem
Durchgang. Frische Lösungsmittel- oder Extraktionslauge wird
von dem nachstehend noch beschriebenen Alkoholrückgewinnungs
system durch eine Leitung 56 in einen Sammelbehälter 57 für
frische Extraktionslauge geführt. Die frische Lauge wird
durch eine Leitung 58 mittels einer Pumpe 59 abgezogen und
durch eine Leitung 61 einer Zufuhrsammelleitung 62 und dann
durch eine Zweigleitung 63 mit einem Ventil 64 einer Einlaß
sammelleitung 66 zugeführt. Sie ließt dann aufwärts durch
den Extraktor 12, der eine weitere Schnitzelcharge enthält.
Die abfließende Lauge, die einen verhältnismäßig niedrigen
Gehalt an gelösten Feststoffen aufweist, verläßt den Kopf
des Extraktors 12 durch eine Auslaßsammelleitung 67 und eine
Zweigleitung 68 mit einem Ventil 69 in eine Sammelleitung 71.
Von der Sammelleitung 71 fließt die Lauge durch eine Leitung
72 zu einer weiteren Sammelleitung 73 und von dort durch eine
Zweigleitung 74 mit einem Ventil 76 in eine Einlaßsammelleitung
77, die in den Boden des Extraktors 11, der wiederum
keine weitere Schnitzelcharge enthält, mündet. Die gebrauchte
Lauge, die nunmehr einen erhöhten Gehalt an gelösten Fest
stoffen aufweist, verläßt den Kopf des Extraktors 11 durch
eine Auslaßsammelleitung 78 und fließt durch eine Zweigleitung
79 mit einem Ventil 81 zu der Sammelleitung 44, in der
die Lauge mit der ausfließenden umgewälzten Lauge aus dem
Extraktor 10 vereinigt wird. Es ist somit ersichtlich, daß
die frische Lauge nacheinander durch die Extraktoren 12 und
11 fließt und dann Teil der primären Extraktionslauge wird,
die durch den Extraktor 10 und den Erhitzer 46 umgewälzt
wird. Die in dieser Weise dem Sammelbehälter 33 zugeführte
Lauge kompensiert den Anteil der primären Extraktionslauge,
der gegen Ende der primären Extraktionsperiode zu dem Sammelbehälter
52 für die der Rückgewinnung zuzuführende Lauge
abgezweigt wird.
Wieder zurückkommend auf die Erläuterung des Flusses
durch den Extraktor 10, werden bei Beendigung der vor
stehend beschriebenen primären Extraktionsperiode die er
forderlichen Ventile so umgeschaltet, daß nunmehr frische Lauge
von der Sammelleitung 62 durch eine Zweigleitung 82 mit
einem Ventil 83 zu der Einlaßsammelleitung 77 und von dort
durch den Extraktor 11 geführt wird. Die aus dem Extraktor
11 abfließende Lauge fließt durch die Auslaßsammelleitung 78,
eine Zweigleitung 84 mit einem Ventil 86, die Sammelleitung
71, die Leitung 72, die Sammelleitung 73, eine Zweigleitung
87 mit einem Ventil 88 und die Sammelleitung 19 in den Boden
des Extraktors 10. Vom Kopof des Extraktors 10 fließt die ab
fließende Lauge durch die Auslaßsammelleitung 26 und die
Zweigleitung 42 zu der Sammelleitung 44 als Teil der zirku
lierenden primären Extraktionslauge, die nunmehr von der
Sammelleitung 38 einem anderen Extraktor des Systems zugeführt
wird, der sich in seiner primären Extraktionsperiode
befindet. Die Fließrate durch den Extraktor 10 während der
nachgeschalteten Extraktions- oder Waschperioden mit einmaligem
Durchgang ist wesentlich geringer als in der primären oder
Umwälz-Extraktionsperiode, und wenngleich eine weitere Lignin
entfernung während der sekundären Extraktionsperiode mit einer
rasch abnehmenden Rate erfolgt, ist die Hauptwirkung während
dieser Periode die Diffusion von gelösten Feststoffen in den
Schnitzeln in die hindurchfließende Waschlauge unter dem Einfluß
des herbeigeführten Konzentrationsgefälles. Gegen Ende
der sekundären Extraktions- oder Waschperiode wird der Zufluß
von frischer Lauge zu dem Extraktor 11 beendet, und die
in dem Extraktor befindliche Lauge wird durch eine Leitung 89
mit einem Ventil 91 zu einer Sammelleitung 92 und von dort
durch eine Leitung 93 zu einer Pumpe 94, die durch eine Leitung
96 an die Sammelleitung 73 angeschlossen ist, abgelassen.
Von der Sammelleitung 73 fließt die Lauge durch die Leitung
87 und die Sammelleitung 19 zu dem Extraktor 10 und von dort
durch die Sammelleitung 26 und die Leitung 42 in den oben be
schriebenen primären Laugekreislauf.
Durch entsprechende Ventilumschaltung tritt der
Extraktor 10 nunmehr in seine abschließende Extraktions oder
Waschperiode unter Verwendung von frischer Lauge ein. Frische
Lauge wird demgemäß nunmehr von dem Sammelbehälter 57 durch
die Sammelleitung 62, eine Zweigleitung 97 mit einem Ventil
98 und die Sammelleitung 19 in den Boden des Extraktors 10
eingespeist. Die vom Kopf des Extraktors 10 abfließende Lauge
geht durch die Sammelleitung 26, eine Zweigleitung 99 mit
einem Ventil 101, die Sammelleitung 71 und die Leitung 72
zu der Sammelleitung 73, aus der die Lauge dann durch einen
anderen Extraktor des Systems, der sich in seiner sekundären
Extraktions- oder Waschperiode befindet, fließt. Die Lignin
entfernung setzt sich in einem geringen Ausmaß während der
abschließenden Extraktionsperiode fort, aber wiederum besteht
die primäre Wirkung im Auswaschen von gelösten Feststoffen
aus den Schnitzeln, so daß gegen Ende der abschließenden Ex
traktionsperiode der Restgehalt an gelösten Feststoffen in
den Schnitzeln recht gering ist. Gegen Ende der abschließenden
Extraktionsperiode wird der Fluß von frischer Lauge zu
dem Extraktor 10 beendet, und die in dem Extraktor 10 befindliche
Lauge wird durch eine Leitung 102 mit einem Ventil 103
zu der Sammelleitung 92 abgelassen und von dort durch die
Leitung 93, die Pumpe 94, die Leitung 96 und die Sammelleitung
73 zu dem nachfolgenden Extraktor des Systems der sich
in seiner sekundären Extraktions- oder Waschperiode befindet,
geführt.
Die Schnitzel in dem Extraktor 10, die der primären
Extraktionsstufe mit Umwälzung und zwei aufeinanderfolgenden
Waschungen mit einmaligen Durchgang mit gebrauchter Lauge
bzw. frischer Lauge unterzogen wurden, sind nun fertig zur
Abführung aus dem Extraktor 10. Zunächst wird der Extraktor
jedoch einer gesteuerten Druckentlastung unterworfen, bei der
die Lösungsmitteldämpfe in dem Extraktor 10 durch eine Zweig
leitung 21 mit einem Ventil 22 zu einer Abzugssammelleitung
23 und von dort zu dem in der Fig. 2 veranschaulichten Rück
gewinnungssystem abgeführt werden. Wie dort gezeigt ist, fließen
die den Extraktor verlassenden, alkoholreichen Dämpfe
durch den Abflußkondensator 24 unter Bildung eines Kondensats,
das durch eine Leitung 104 zu dem Frischlaugelagertank 106
fließt. Nach der Druckentlastung wird eine Wasserdampfabstreifung
der Schnitzel in dem Extraktor 10 durchgeführt, indem
Niederdruck-Wasserdampf aus einer Zufuhrsammelleitung 107
durch eine Zweigleitung 108 mit einem Ventil 109 in den Boden
des Extraktors 10 eingeführt wird. Der Wasserdampf strömt aufwärts
durch die Schnitzelfüllung und treibt hierdurch den
restlichen Alkohol aus, und das Gemisch aus Wasserdampf und
Alkoholdämpfen fließt durch die Leitung 21 und die Sammelleitung
23 zu dem Abflußkondensator 24, gnau so wie während der
Druckentlastungsstufe. Die Wasserdampfspülbehandlung wird
fortgesetzt, bis nur noch Spurenmengen an Alkohol in den
Schnitzeln sind.
Nach Vollendung der Wasserdampfbehandlung wird der
Extraktor 10 durch nicht dargestellte Einrichtungen mit Wasser
vollgepumpt, und danach wird das Gemisch aus Wasser und
Pulpe vom Boden des Extraktors durch eine Zweigleitung 111
mit einem Ventil 112 zu einer Auslaßsammelleitung 113 und von
dort zu einer nicht dargestellten Pumpe abgelassen, die die
Pulpe z. B. herkömmlichen Papierherstellungsstufen zuführt.
In dem Extraktor können an geeigneten Stellen Einspritzdüsen
vorgesehen sein, um einen vollständigen Austrag der Pulpe aus
dem Extraktor sicherzustellen. Nach Abschluß des Entleerungs
vorganges ist der Extraktor fertig für die erneute Füllung
mit Schnitzeln für eine weitere Aufschlußbehandlung in der
vorstehend beschriebenen Arbeitsstufenfolge.
Der Zeitplan für die verschiedenen Arbeitsstufen
kann den Erfordernissen der im Einzelfall durchzuführenden
Lösungsmittelverpulpung angepaßt werden. Ein typischer Zeit
plan für einen einzigen Extraktor mit einem dreistündigen
Arbeitskreislauf vom Anfang bis zum Ende ist in der nachstehenden
Tabelle I angegeben.
Auf der Grundlage des in der Tabelle I angegebenen
Zeitplans für jede Verfahrensmaßnahme ist der vollständige Kreis
lauf-Zeitplan für eine Anlage mit neun Extraktoren in der nach
stehenden Tabelle II aufgeführt. In der Tabelle II bedeuten (A),
(B) . . . (K) dioe in der Tabelle I definierten Arbeitsmaßnahmen,
und die Abkürzungen E1, E2 . . . E9 kennzeichnen die Extraktoren
1 bis 9 der Anlage.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, fließt die
gebrauchte Extraktionslauge unter Druck von dem Sammelbehälter
52 durch die Leitung 53 mit einem Ventil 54 zu einer Entspannungs
verdampfungstrommel 121, wo der Druck verringert wird. Dies führt
zu einer teilweisen Verdampfung des Alkohollösungsmittels und Ab
kühlung der restlichen Lauge. Ein Teil der restlichen Schwarzlauge
von verhältnismäßig niedriger Temperatur, z. B. etwa 80°C
kann durch eine Leitung 120 mit einem Ventil 122 zu dem Lagertank
31 für kühle Schwarzlauge geleitet werden, der durch die Leitung
25 zu dem Kondensator 24 entlüftet wird. Wie bereits beschrieben,
wird die kühle Schwarzlauge, wenn sie zur Luftausspülung aus den
Extraktoren benutzt wird, von dem Lagertank 31 durch die Leitung
30 und die Pumpe 32 zu der Zufuhrsammelleitung 16 geführt, und
die Lauge kehrt durch die Sammelleitung 29 zu dem Lagertank 31
zurück. Das verdampfte Lösungsmittel fließt von der Verdampfungs
trommel 121 durch eine Leitung 123 zu einem Wärmeaustauscher und
Wiedererhitzer 124, der einem ersten Verdampfer 126 zugeordnet
ist. Die Alkoholdämpfe werden in dem Wärmeaustauscher 124 kondensiert,
und das Kondensat fließt durch Leitungen 127 und 128 zu
dem Frischlauge-Lagertank 106.
Der überwiegende Anteil der restlichen kühlen
Schwarzlauge fließt von der Entspannungsverdampfungstrommel 121
durch eine Leitung 129 mit einem Ventil 131 in den oberen Ab
schnitt eines Vakuumabstreifturms 133. Betrieb bei Unterdruck
ist zweckmäßig, um die Temperatur der Aufschlämmung zu verringern,
so daß das ausgefällte Lignin sich nicht an den Oberflächen
der Böden des Abstreifturms ansetzt und ablagert. Gewünschtenfalls
kann die aus der Entspannungsverdampfungstrommel 121 abgezogene
Lauge geklärt werden, um jegliches ausgefällte Lignin zu
beseitigen, bevor die Lauge in den Abstreifturm 133 eingeführt
wird. Am Boden wird in den Vakuumabstreifturm 133 durch eine Leitung
134 und eine Leitung 136 Wasserdampf von einem Verdampfer
166, der nachstehend noch beschrieben wird, eingespeist. Wasserdampf
und Alkoholdämpfe fließen vom Kopf des Abstreifturms 133
durch eine Leitung 137 zu einem Kondensator 138, und das sich
ergebende Kondensat fließt durch die Leitung 128 zu dem Frisch
lauge-Lagertank 106. Wenngleich es in der Zeichnung nicht dar
gestellt ist, ist klar, daß ein Teil des Kondensats aus dem Kon
densator 138 zu dem Kopf des Abstreifturms 133 zurückgeführt werden
kann, wenn im Kopf des Turms ein Rektifikationsabschnitt vor
gesehen sein soll.
Die Frischlaugezufuhr zu dem Lagertank 106 umfaßt
somit das Kondensat der Überkopfdämpfe aus den Extraktoren, das
durch die Leitung 104 eingeführt wird, die kondensierten Dämpfe
aus der Entspannungsverdampfungstrommel 121, die durch die Lei
tungen 127 und 128 eingeführt werden, und die kondensierten
Überkopfdämpfe aus dem Turm 133, die durch die Leitung 128 einge
führt werden. Weiterhin kann Ergänzungsalkohol zu dem Frischlauge
zulauf durch eine Leitung 139 zugespeist werden. Von dem Lagertank
106 wird Frischlauge durch eine Leitung 141 mittels einer
Pumpe 142 abgezogen und durch eine Leitung 143 in einen Erhitzer
144 geführt, der mit Wasserdampf aus der Leitung 134, welcher
über eine Leitung 146 zufließt, beheizt wird. Die erhitzte Frischlauge
fließt dann durch die Leitung 56 zu dem Frischlaugesammel
behälter 57.
Ein Bodenstrom wird von dem Abstreifturm 133 durch
eine Leitung 147 abgezogen. Dieser Strom besteht aus einer wäßrigen
Aufschlämmung, die ausgefällte Feststoffe, im wesentlichen
Lignin, und gelöste Substanzen, überwiegend von Kohlehydratcharakter,
enthält. Die wäßrige Aufschlämmung geht durch die Leitung
147 zu einem Eindicker oder Absetzer 148, wo sich das ausgefällte
Lignin absetzt, bei etwa 5-15% Feststoffen, und eine geklärte
wäßrige Kohlehydratlösung als überstehende Schicht verbleibt.
Aus dem Absetzer 148 wird ein Brei vom Boden durch eine Leitung
149 mittels einer Pumpe 151 abgezogen und durch eine Leitung 152
in eine Zentrifuge 153 geführt, in der der Feststoffgehalt des
Schlamms gesteigert wird, z. B. auf etwa 30-40%. Eine konzentrierte
wäßrige Ligninsuspension wird aus der Zentrifuge 153
durch eine Leitung 154 abgenommen.
Die klare Flüssigkeit aus der Zentrifuge 153 wird
durch eine Leitung 156 abgezogen und mit der überstehenden klaren
Lauge, die vom Kopf des Absetzers 148 durch eine Leitung 157
abfließt, vereinigt. Die vereinigten Laugen werden mittels einer
Pumpe 158 durch eine Leitung 159 in den ersten Verdampfer 126
gepumpt. Wärme wird dem Verdampfer 126
zugeführt, indem ein Teil der konzentrierten Lauge durch eine
Leitung 161 und eine Leitung 162 sowie den Wiedererhitzer 124
und von dort durch eine Leitung 163 zurück zu dem Verdampfer 126
umgewälzt wird. Der Rest der konzentrierten Lauge aus dem ersten
Eindampfer 126 fließt durch die Leitung 162 und eine Leitung 164
zu einem zweiten Verdampfer 166, in
dem ein Konzentrat mit einem Feststoffgehalt von etwa 40-50%
anfällt. Die konzentrierte Lauge wird durch eine Leitung 167
mittels einer Pumpe 168 abgezogen, und ein Teil dieser Lauge wird
durch eine Leitung 169 und eine Leitung 171 sowie einen Wieder
erhitzer 172 und von dort durch eine Leitung 173 zurück zu dem
Eindampfer 166 zirkuliert. Der Wiedererhitzer 172 wird mit Über
kopfdämpfen beheizt, die von dem ersten Verdampfer 126 durch eine
Leitung 174 zufließen. Der Rest des konzentrierten Stroms aus
dem Verdampfer 166 wird durch die Leitung 169 als wäßriges Kohle
hydratkonzentrat abgezogen. Der aus dem zweiten Verdampfer 166
durch die Leitung 134 abgezogene Wasserdampf ist normalerweise
ausreichend, den Bedarf der Abstreifkolonne 133 und des Erhitzers
144 zu decken. Jedoch kann erforderlichenfalls Ergänzungswasserdampf
durch eine Leitung 176 zugespeist werden.
Es ist ersichtlich, daß durch den vorstehend be
schriebenen Nebenprodukt- oder Abfallstoff-Behandlungsgang die
wäßrige Ligninsuspension und die wäßrige Kohlenhydratlösung getrennt
konzentriert werden, wodurch eine Verschmutzung der Ver
dampferrohre durch Lignin ausgeschlossen wird. Wenn Lignin- und
Kohlehydrat-Nebenprodukte wirtschaftlich erwünscht sind, können
die durch die Leitungen 154 und 169 abgezogenen Ströme weiterverarbeitet
werden. Andernfalls können diese beiden Ströme vereinigt
und einem Abfallstoffbeseitigungskessel zugeführt werden, in dem
ihre Energiewerte als Verfahrensdampf wiedergewonnen werden.